真空絕熱板熱工性能的研究

2010-01-01 律寶瑩天津商業大學機械工程學院

　　介紹真空絕熱板的構造及加工工藝, 對其高效絕熱熱工性能進行理論分析及實驗數據測試, 運用數理統計及計算機數值模擬的方法分析其熱工性能隨自身參數及制造工藝的變化規律, 提出產品生產、施工及使用中應注意的問題和改進的意見。

　　真空絕熱板( 英文名Vacuum Insulation Panel)是近年來順應建材行業日益迫切的節能要求, 利用現代材料制造工藝研發的新一代高級保溫材料。經測試, 在正確的加工及使用條件下, 其表觀導熱系數達到10^-3W/m·℃ 數量級, 比常規保溫材料( 如聚苯乙烯硬質塑料, 導熱系數0.031 W/m·℃) 低一個數量級, 其優異的絕熱性能在冷凍、冷藏、低溫家電、建材及尖端科技領域都有著廣泛的應用前景。

　　本文通過對這種新型絕熱材料熱工性能的研究展示了該材料的性能參數, 并分析了其性能受自身及外界因素影響的規律, 探討了要充分發揮其優異絕熱性能, 在生產、施工中應重點考慮的問題, 并提出了可行的建議。

1、真空絕熱板構造及絕熱原理分析

　　實測樣品為388 mm×388 mm×10.5 mm 板狀外形材料, 表觀密度172.7 kg/m³, 工程尺寸及密度會因生產廠家及工程要求而不同, 其結構如圖1。

真空絕熱板結構示意圖

圖1 真空絕熱板結構示意圖

　　芯材為超細無機纖維( 具體材質根據廠家而異, 可采用超細玻璃棉或超細石棉等材料) ,并在其中添加高效氣體吸附劑以保證板內長期高真空度水平, 外側為起密封、保護及支持作用的復合鋁膜(膜厚0.18 mm); 實際生產中添加氣體吸附劑后的芯材經預壓縮并外敷復合鋁膜后經抽真空至10¹ Pa 數量級( 實測樣品真空度為4~5 Pa) 密封而成。

　　從傳熱角度分析, 該材料具有較理想的絕熱物理特征。依據傳熱學理論, 物質與周圍介質間單位面積的傳熱量由傳導, 對流, 輻射三部分構成, 其關系可簡要表示為公式(1) :

Q=Q _傳導+ Q _對流+ Q _輻射(1)

　　式中: Q 、Q _傳導、Q _對流、Q _輻射分別為單位面積總傳熱量及傳導、對流、輻射傳熱量; λ、δ、Δt、a、Δt' 、εe、T、T 環境分別為物質的導熱系數、厚度、導熱溫差、對流放熱系數、對流換熱溫差、等效發射率、物質與環境的絕對溫度; ∝( λ, 1/δ, Δt) ,∝( a, Δt') ,∝( εe , T⁴- T _環境⁴) 。

　　總傳熱量為傳導、對流、輻射傳熱量之和, 而傳導、對流、輻射傳熱量又分別正相關于各自括號內所示影響因素。

　　由公式(1) 可知為, 為獲得優良的絕熱性能, 在一定的工作溫度和使用要求下, 應設法降低材料的導熱系數, 對流換熱系數和等效發射率。而真空絕熱板正是依據這一思路設計的: 超細芯材自身的導熱系數就很低, 再經高度真空并添加氣體吸附劑后其大量孔隙內基本無殘留空氣的對流效應影響, 傳熱僅通過超細纖維間的輻射和點接觸傳導進行, 這使其表觀導熱系數較同一材質空氣中數據(如超細玻璃棉, 常壓下λ= 0.037 W /m.℃)低一個數量級以上, 此外, 外敷的復合鋁膜因具有εe ≤0.1 的低等效發射率可進一步減少輻射熱損失。